基于RTDS的超高壓線路保護(hù)裝置的試驗研究與分析

RTDS(Real Time Digital System)能夠比較真實的反映實際電力系統(tǒng)的故障性征，且較模擬動模試驗系統(tǒng)，有易于控制故障工況、故障可重現(xiàn)等優(yōu)點，使其在高壓線路保護(hù)裝置的研制及開發(fā)過程中發(fā)揮著重要的作用。本文介紹高壓線路保護(hù)裝置動模測試的模型及要求的同時，著重分析了當(dāng)前高壓線路保護(hù)裝置研究的幾個難點，并就此給出了我們在研制新一代高壓線路保護(hù)產(chǎn)品DF3621中的處理策略和方法。大量的RTDS試驗表明：DF3621對于特殊工況、轉(zhuǎn)換性故障等方面表現(xiàn)良好，裝置整體性能可靠，能夠滿足高壓線路對保護(hù)的要求。此裝置還有待于現(xiàn)場試運行的進(jìn)一步考驗。
    關(guān)鍵字：RTDS；高壓線路保護(hù)；振蕩閉鎖

Test Study of Extra-High-Voltage Line Protection Based On RTDS

Mao Peng¹， Yang Li-fan¹， Du Xiao-gong¹， Li Xiao-bing¹， Suonan Jia-le²

(1 Dongfang Electronic Group, Yantai, 264001; 2 Xi'an Jiaotong University, Xi'an, 710049)

    Abstract: RTDS(Real Time Digital System) can really simulate fault states of the practical power system, and has more excellences than analogy dynamic simulation system, such as being easy to control and fault state could reappear etc. Because of its characteristics, RTDS plays an important role in the R&D process of extra high voltage(EHV) line protection relay. This paper introduces the test model and requirements of EHV line protection relay, and analyzes several study emphases of line protection device in detail. Scheme and method for these problems in developed new high voltage line protection DF3621 are presented. Lots of RTDS test results show that DF3621 has high reliability and satisfactory performances to special system states and faults such as faults during swing and translating faults etc.. The protection still requires more practical running tests.
    Keywords: RTDS, High Voltage Line Protection, Swing Block 


0  引言
    電力系統(tǒng)數(shù)字仿真具有不受原型系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，能夠保證被研究、試驗系統(tǒng)的安全性和具有良好的經(jīng)濟(jì)性、方便性等許多優(yōu)點，正被越來越多的電力科技工作者所關(guān)注，并且在電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計、裝置的研究開發(fā)、運行人員培訓(xùn)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用^[1]。眾所周知，電力系統(tǒng)保護(hù)裝置，尤其是高壓/超高壓電網(wǎng)的保護(hù)裝置，需要足夠的可靠性，并能適應(yīng)于電力系統(tǒng)的各種工況，在任何故障類型下具有充分的靈敏度，來快速、準(zhǔn)確的切除故障，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定、設(shè)備安全。但對于要求如此苛刻的裝置，在現(xiàn)場中僅在很短的時間動作外，長期處于不動作狀態(tài)，所以可供參考的實際故障經(jīng)驗非常少，至于實際電網(wǎng)試驗機會則更少。從而導(dǎo)致了高壓電網(wǎng)保護(hù)裝置產(chǎn)品一直是一個高技術(shù)含量、高門檻的行業(yè)，其開發(fā)研究中，電力系統(tǒng)實際經(jīng)驗和動模試驗具有重要的地位。相比于傳統(tǒng)的動模試驗，全數(shù)字RTDS動模系統(tǒng)，具有模型構(gòu)建方便、系統(tǒng)模型多、同類故障工況可重復(fù)再現(xiàn)等諸多方面的優(yōu)點，給保護(hù)裝置的開發(fā)研究提供了極其有利的手段，也從而確保了由此開發(fā)出的裝置性能更加可靠。
    本文在介紹基于我公司RTDS動模系統(tǒng)測試新開發(fā)的超高壓線路保護(hù)裝置DF3621的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的闡述了RTDS試驗中幾個特殊工況的測試情況，指出了當(dāng)前超高壓微機線路保護(hù)的幾個研究難點，并給出了我們的處理方案和試驗結(jié)果，以供同行參考。對特殊問題的研究尚需進(jìn)行，開發(fā)研制的裝置也需進(jìn)一步現(xiàn)場試運行的考核。

1 RTDS動模試驗系統(tǒng)
1.1 RTDS試驗?zāi)Ｐ?sup>[2]
    RTDS是由加拿大Maniloba直流研究中心(HVDC)開發(fā)的專門用于實時研究電力系統(tǒng)的數(shù)字動模系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的電力系統(tǒng)元件模型和仿真算法建立在已獲得行業(yè)認(rèn)可，且已廣泛應(yīng)用的EMTP和EMTDC基礎(chǔ)上的，其仿真結(jié)果與現(xiàn)場實際系統(tǒng)的真實情況是一致的。該系統(tǒng)已在全球多個國家和地區(qū)推廣使用，我國目前也有多個單位引進(jìn)了規(guī)模不等的RTDS系統(tǒng)。
    RTDS的基本組成部分為組(RACK)，多個RACK之間通過總線相聯(lián)，RACK的數(shù)量決定了可仿真系統(tǒng)的規(guī)模。將RTDS實時模擬電量和開關(guān)量輸入被測試保護(hù)裝置，再將裝置的輸出信號引入仿真系統(tǒng)的開關(guān)量板，即可實現(xiàn)保護(hù)裝置的閉環(huán)實時仿真試驗。
    使用RTDS進(jìn)行繼電保護(hù)產(chǎn)品試驗的關(guān)鍵在于試驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的建立。參照電力科學(xué)院的試驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)，結(jié)合本裝置的開發(fā)定位：應(yīng)用于220KV及以上電壓等級的單回線路，構(gòu)建了以下幾種線路模型。為更加接近現(xiàn)場實際，使測試結(jié)果具有說服力，所有線路模型均采用分布參數(shù)模型，電壓等級為500kv。
    (1) 單電源空載長線模型(I)
    無窮大電源帶400km單回架空線路，無窮大電源短路容量為3000MVA。主要用于測試距離保護(hù)的暫態(tài)超越性能。
    (2) 雙電源雙回線長線模型(II)
    仿真系統(tǒng)模型入圖1所示。被測保護(hù)裝置P₁和P₂分別安裝在NL1線路的N側(cè)和L側(cè)，保護(hù)所需的線路電壓信號由500kV/0.1kV的電容式電壓互感器提供，保護(hù)所需的線路電流信號由1250A/1A的電流互感器提供。 N系統(tǒng)為一地區(qū)等值系統(tǒng)，短路容量分別為3000MVA，L廠裝有等值容量為2100MW的發(fā)電機M1一臺，變壓器B1容量為2500MVA，所帶負(fù)荷最大容量為1000MW，其中電動機負(fù)荷占65％，電阻負(fù)荷占35％。每條輸電線路的兩端都裝有容量為150Mvar的并聯(lián)電抗器。正常情況下潮流P=1000MW,Q=480Mvar。輸電線路主要參數(shù):z₁=z₂=0.0193+j0.2793Ω/km,z₀=0.1788+j0.8412Ω/km,c₁=0.013μF/km, c₀=0.0092μF/km.

    (3) 短線環(huán)網(wǎng)模型(III)
    短線環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)模型如圖2所示。線路主要參數(shù)與模型II中的線路參數(shù)相同。被測試保護(hù)裝置分別安裝在NL線路的L側(cè)和N側(cè)。 M廠、N廠及L系統(tǒng)經(jīng)500kV短距離輸電線路相互連接。M廠裝有等值容量為1050MW的發(fā)電機M1一臺，N廠裝有等值容量為1050MW的發(fā)電機M2一臺。N廠還接有負(fù)荷變壓器FB，負(fù)荷變壓器的容量為1200MVA，所帶負(fù)荷最大容量為1000MW，其中電動機負(fù)荷占65％左右，電阻性負(fù)荷占35％左右。L系統(tǒng)為一地區(qū)等值系統(tǒng)，有大、小兩種運行方式，其對應(yīng)的短路容量為3000MVA及20000MVA。

    超高壓電網(wǎng)線路本身特點所決定的某些元件模型的構(gòu)建應(yīng)特別注意，盡量作到設(shè)計的與實際相符，其真實性將直接影響保護(hù)裝置的性能指標(biāo)。其中電容式電壓互感器(CVT)的采用，導(dǎo)致了故障后獲取的二次信號具有明顯的暫態(tài)特性，其對于距離保護(hù)在暫態(tài)超越試驗以及出口故障試驗中有重要的考驗；另外由于超高壓電網(wǎng)的衰減時間常數(shù)較大，某些故障情況下非周期分量衰減緩慢，從而導(dǎo)致電流互感器(CT)出現(xiàn)飽和，此點對保護(hù)裝置也是一個非常重要的考核內(nèi)容，由此可知高壓電網(wǎng)的特點對保護(hù)裝置提出了更高的要求。對于不同的通道連接方式，我們利用SEL保護(hù)裝置的“可編程邏輯功能”來模擬，得到了較好的試驗效果。
1.2 測試內(nèi)容及結(jié)果
    為使研制開發(fā)的保護(hù)裝置有一個較高的起點，以優(yōu)良的性能滿足于高壓/超高壓線路保護(hù)的各項要求，以SD286-88《線路繼電保護(hù)產(chǎn)品動模試驗技術(shù)條件》的內(nèi)容為基本要求，另外考慮到此標(biāo)準(zhǔn)制訂于10幾年前，部分內(nèi)容已不適應(yīng)當(dāng)前形式的需要，所以結(jié)合目前系統(tǒng)的實際需要，借鑒國內(nèi)其他保護(hù)廠家的企標(biāo)，制定了我們的測試內(nèi)容和性能要求。
    我們開發(fā)的線路保護(hù)裝置DF3621定位于高壓/超高壓電力系統(tǒng)，基本配置：以縱聯(lián)距離保護(hù)為主，三段式距離保護(hù)、階段式零序保護(hù)和反時限零序保護(hù)為后備保護(hù)，以及完善的輔助功能的成套保護(hù)裝置。裝置采用先進(jìn)、可靠的軟件平臺，硬件平臺采用32位CPU+DSP模式，為保護(hù)整體性能提供了可靠基礎(chǔ)；保護(hù)原理完備、先進(jìn)，在吸收目前國內(nèi)同類保護(hù)產(chǎn)品優(yōu)點的基礎(chǔ)上，增加了自適應(yīng)、模式識別等一些成熟的研究成果，從而使此裝置在滿足目前保護(hù)裝置基本要求的前提下，對特殊工況時的故障也具有另人滿意的結(jié)果。
    此次RTDS試驗屬于研制階段的手段，所以試驗項目在完全包括電力科學(xué)院所有檢測項目，以及部分網(wǎng)局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，我們又增加了一些試驗內(nèi)容：復(fù)故障、特高阻(大于300)接地故障、振蕩中經(jīng)過渡電阻接地故障、CT嚴(yán)重飽和工況等。DF3621的基本測試結(jié)果如表1所示。

    其他項目如：PT斷線、CT斷線及飽和、手合空載線及故障線路等也作了充分的測試。經(jīng)過上千次的試驗表明：DF3621高壓線路保護(hù)裝置各項指標(biāo)均能滿足要求，性能穩(wěn)定可靠，對于特殊工況下的故障反應(yīng)也得到了比較滿意的結(jié)果。

2 高壓線路保護(hù)裝置的幾個難點^[3-6]
    我國的微機保護(hù)產(chǎn)品從投入現(xiàn)場實際到現(xiàn)在已有十幾年的歷史了，在完成其之前集成保護(hù)所有功能的基礎(chǔ)上，就保護(hù)功能而言真正性能提高的幅度不大，也可以說就保護(hù)原理而言未能充分發(fā)揮微機的優(yōu)勢。尤其是目前隨著軟、硬技術(shù)的飛速發(fā)展，一些研究成熟的高級算法、智能化分析方法等完全可以引入的保護(hù)中。當(dāng)然保護(hù)裝置的開發(fā)以可靠為首，我們也正是本著這一原則，就目前保護(hù)裝置解決不太理想的地方進(jìn)行了試驗性嘗試。也希望同時引起同行對此類問題的關(guān)注。
2.1 狀態(tài)識別及自適應(yīng)
    嚴(yán)格的講狀態(tài)識別及自適應(yīng)涉及很多方面，限于篇幅及本文的側(cè)重點，就幾個主要方面提出予以探討。目前國內(nèi)的保護(hù)裝置，啟動元件動作后，后續(xù)的故障處理過程是按照啟動時刻為基準(zhǔn)展開的，如突變量啟動后相繼執(zhí)行快速段、穩(wěn)態(tài)階段、振蕩閉鎖階段、跳閘后階段以及非全相階段，其他的內(nèi)容如PTDX、加速則包含于其中。應(yīng)該說此種方案是不合理的，我們所制定的保護(hù)處理方案是針對于保護(hù)裝置之外的一次、二次的狀態(tài)而言的，除了簡單的單一性故障，程序處理和系統(tǒng)狀態(tài)相符合，大多數(shù)會導(dǎo)致不一致從而影響保護(hù)整體性能。列舉幾例如下：
    (1) 啟動元件為保證各種可能故障下都能動作，整定的靈敏度非常高，所以啟動元件動作往往并非是故障的真實發(fā)生時刻；距離保護(hù)為兼顧近端故障快速切除和末端暫態(tài)超越不超標(biāo)一般采用快速段保護(hù)以啟動時刻為基準(zhǔn)階段放開保護(hù)范圍的方法，此策略勢必導(dǎo)致的結(jié)果是暫態(tài)超越試驗動作時間不會太快，另外對于小擾動導(dǎo)致啟動后一段時間發(fā)生的故障勢必可能出現(xiàn)暫態(tài)超越超標(biāo)。
    (2) 目前微機距離保護(hù)一般采用短時開放，150ms后(以啟動時刻為基準(zhǔn))后進(jìn)入振蕩閉鎖處理模塊，通過增加條件來開放保護(hù)。應(yīng)當(dāng)說此方案側(cè)重于可靠性考慮，對于我國的電網(wǎng)穩(wěn)定等方面具有積極的實用意義。但僅通過突變量啟動元件動作后150ms來運行振蕩閉鎖程序，應(yīng)當(dāng)說此元件過于靈敏，從而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，小擾動導(dǎo)致啟動后，再發(fā)生故障導(dǎo)致保護(hù)延時動作。
    (3) 系統(tǒng)非全相運行期間，由于存在零序電流等特點，保護(hù)裝置自動投入相應(yīng)保護(hù)的同時，應(yīng)退出某些會誤動的保護(hù)元件，因此非全相狀態(tài)一旦漏判，勢必會影響保護(hù)裝置的整體性能。而目前有些保護(hù)裝置僅從本保護(hù)端三相斷路器是否閉合來斷定是否系統(tǒng)處于非全相狀態(tài)的做法是不準(zhǔn)確的，會將導(dǎo)致單跳后優(yōu)先重合側(cè)保護(hù)裝置誤認(rèn)為系統(tǒng)已恢復(fù)三相運行。
    對于上述問題的出現(xiàn)，其根本性原因在于保護(hù)裝置未能充分利用其強大的記憶及分析功能來準(zhǔn)確的識別系統(tǒng)狀態(tài)，通過狀態(tài)識別結(jié)果來投入相應(yīng)的處理模塊，此過程本身就體現(xiàn)了自適應(yīng)思想。
    新開發(fā)的線路保護(hù)裝置DF3621改變了以前基于啟動時刻調(diào)節(jié)保護(hù)范圍的做法，而采用元件所用電流、電壓量的波形(提出了波形系數(shù)的概念)來作為自適應(yīng)選用數(shù)字濾波器、調(diào)節(jié)保護(hù)范圍、調(diào)節(jié)方向元件動作范圍等各個環(huán)節(jié)的基準(zhǔn)。理論上分析可知：故障時刻的不同，故障暫態(tài)分量中非周期分量和各高次諧波分量是不同的。采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)濾波器后，可以避免統(tǒng)一采用差分傅氏算法在某些情況下放大諧波的可能。CT飽和后，自適應(yīng)采用短數(shù)據(jù)窗保證計算量的真實性。這樣直接定位為體現(xiàn)元件輸入量可信度的處理方式，從根本上解決了不論是何種原因?qū)е碌男盘柣儾粫绊懕Ｗo(hù)性能，同時也確保了任何故障情況下，保護(hù)在暫態(tài)超越指標(biāo)范圍內(nèi)快速切除故障的可能。
    系統(tǒng)振蕩狀態(tài)的出現(xiàn)是有先兆和需要過程的，這為我們提供了振蕩狀態(tài)識別的可能，充分利用微機保護(hù)的強記憶功能，采用狀態(tài)預(yù)測算法，保證系統(tǒng)發(fā)生振蕩之前，及時投入振蕩閉鎖處理模塊，取消突變量啟動150ms后自認(rèn)為系統(tǒng)已振蕩的做法，確保小擾動啟動后系統(tǒng)未振蕩情況下再故障時保護(hù)裝置的動作性能，這樣從整體上提高了保護(hù)裝置的性能指標(biāo)。而對于非全相狀態(tài)的識別，在監(jiān)視跳開相電量和開關(guān)量的同時，應(yīng)綜合利用本保護(hù)各元件曾經(jīng)的感受行為，以及系統(tǒng)零序電量的變化行為，來作出定位于一次系統(tǒng)的非全相狀態(tài)識別。
2.2 振蕩中選相處理^[7]
    振蕩閉鎖模塊的處理方案，從確保電網(wǎng)穩(wěn)定等方面出發(fā)，基本要求是振蕩情況下保護(hù)不誤動，其次是振蕩中又發(fā)生故障，保護(hù)能夠正確動作。目前保護(hù)裝置基本上都能滿足第一個性能指標(biāo)，而第二個指標(biāo)一般是通過保護(hù)延時動作，和降低性能指標(biāo)等方式來實現(xiàn)的，即對于振蕩中故障能否正確選相、正確計算阻抗量、耐過渡電阻各方面不作太嚴(yán)格的要求。而作為保護(hù)科技工作人員當(dāng)希望此工況下，保護(hù)性能指標(biāo)不受影響，此點也是進(jìn)一步研究的重點。
    目前振蕩中選相元件僅在故障開放條件滿足后通過序分量以及計算阻抗來實現(xiàn)，勢必導(dǎo)致某些故障情況下，僅當(dāng)兩端電勢夾角擺到一定范圍內(nèi)才能開放，從而使保護(hù)延時動作；甚至不能開放，導(dǎo)致保護(hù)拒動或無選擇性出口。新開發(fā)的線路保護(hù)裝置DF3621中，專門針對系統(tǒng)振蕩狀態(tài)研制了一基于模型識別方法的新型選相元件，其基本原理為綜合利用保護(hù)安裝處的各序量關(guān)系，以及推算得到的故障點處的各序量關(guān)系，最終給出正確的故障類型。由于此選相元件所需的開放條件比較靈敏，確保各種工況下都能選相，且振蕩周期中不工作的盲區(qū)大大減少，提高了保護(hù)的選跳正確率和動作時間。大量的RTDS動模試驗已證明了此點。
2.3 轉(zhuǎn)換性故障
    對于同一點不同故障類型轉(zhuǎn)換的發(fā)展性故障，采用選相元件、阻抗元件并行實時運算，故障類型變化后最先滿足入段的元件優(yōu)先固定的原則，可以滿足測試指標(biāo)；對于二次故障，即兩次故障轉(zhuǎn)換間隔相對較長，第一次故障已成功切除，此時按照狀態(tài)檢測調(diào)度再發(fā)生故障將由非全相故障處理模塊來切除，各項性能指標(biāo)一般保護(hù)裝置都能滿足。難點在于正、反向復(fù)故障情況，即正向出口、反向出口故障點同時存在，如果為不同相，對于單通道高頻保護(hù)，遠(yuǎn)端保護(hù)裝置只能無選擇三跳，而近端保護(hù)裝置則希望能夠正確選跳，就此特殊故障類型，如果不作專門性處理，僅當(dāng)在保護(hù)安裝處所感受的區(qū)內(nèi)故障附加電源產(chǎn)生的故障電量遠(yuǎn)大于區(qū)外故障附加電源所產(chǎn)生的電量時，才能保證選相正確，從而不能確保各種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下保護(hù)性能的一致性。對此我們增加一靈敏度足夠高的復(fù)故障檢測元件，通過此元件來投入此工況下的專門選相元件，其綜合利用電流序分量選相結(jié)果和電壓序分量選相結(jié)果，以及保護(hù)測量元件的歷史和當(dāng)前感受情況，統(tǒng)一分析后最終給出正確的選相結(jié)果。
2.4 高阻接地故障
    接地保護(hù)的耐過渡電阻能力是距離保護(hù)元件的重要測試項目，而距離保護(hù)元件是越量型元件，有別于測量元件，在保護(hù)范圍之內(nèi)，即使測量誤差很大，也能使保護(hù)元件正確動作，由此可知耐過渡電阻的能力對于保護(hù)范圍的不同點，具有不同的性能。所有基于金屬性故障推出的距離元件在保護(hù)范圍末端必將耐過渡電阻能力較弱。對此，我們采用了基于零序電流修正的測距算法來作為保護(hù)范圍末端高阻單相接地故障時的測量元件，從而保證了不論保護(hù)范圍內(nèi)的何處故障都具有較高的耐過渡電阻能力，提高了裝置的整體性能。

3 結(jié)論
    經(jīng)過大量的RTDS試驗，表明新開發(fā)的DF3621型線路保護(hù)裝置各項性能指標(biāo)比較另人滿意，當(dāng)然還需要長期現(xiàn)場試運行的考驗。
    RTDS數(shù)字動模試驗系統(tǒng)在保護(hù)裝置開發(fā)中具有非常重要的作用，對原先基于經(jīng)驗開發(fā)裝置、模擬動模試驗測試、長期現(xiàn)場實際運行檢驗的裝置研發(fā)模式有所改變，充分利用RTDS試驗，作為保護(hù)裝置開發(fā)的重要手段，將在縮短研發(fā)周期的同時，會不同程度的提高保護(hù)裝置的整體性能。另外，我們在研發(fā)過程中感覺到：在完全理解目前保護(hù)裝置產(chǎn)品處理方案的基礎(chǔ)上，繼承優(yōu)點，就某些具有開發(fā)時代局限，而不能很好的滿足現(xiàn)在實際現(xiàn)場需求的處理方法，在充分測試的前提下可以采用新的研究成果，以提高保護(hù)裝置的綜合性能指標(biāo)；隨著技術(shù)的發(fā)展，用戶需求的進(jìn)一步提高，以及保護(hù)本身原理研究的突破，保護(hù)裝置產(chǎn)品也應(yīng)及時的升級換代或研制開發(fā)新產(chǎn)品。